ADI:铁氧体磁珠揭秘

文章转自ADI官网，版权归属原作者一切

简介

过滤高频电源噪声并洁净地同享类似电源供电轨（即混合信号 IC 的模仿和数字供电轨），一起在同享的供电轨之间坚持高频 阻隔的一种有用办法是运用铁氧体磁珠。铁氧体磁珠是无源器 件，可在宽频率规模内过滤高频噪声。它在方针频率规模内具 有电阻特性，并以热量的办法耗散噪声能量。铁氧体磁珠与供 电轨串联，而磁珠的两边常与电容一起接地。这样便形成了一 个低通滤波器网络，进一步下降高频电源噪声。

可是，若体系规划中对铁氧体磁珠运用不当，则会发作晦气影 响。有一些比方能够阐明：因为磁珠和去耦电容调配用于低通 滤波而导致发作搅扰谐振；直流偏置电流的依靠性导致磁珠的 EMI 按捺才能下降。正确理解并充分考虑铁氧体磁珠的特性后， 这些问题是能够防止的。

本文评论体系规划人员在电源体系中运用铁氧体磁珠时的留意 事项，比方直流偏置电流改动时的阻抗与频率特性，以及搅扰 LC 谐振效应。最终，为了处理搅扰谐振问题，介绍了阻尼技能， 并比较了各项阻尼办法的有用性。

为演示铁氧体磁珠作为输出滤波器影响而选用的器材是一款 2 A/1.2 A DC-DC 开关调理器，具有独立的正输出和负输出 (ADP5071)。文中所用的铁氧体磁珠首要选用芯片类型表贴 封装。

铁氧体磁珠简化模型与仿真

铁氧体磁珠能够建模为一个由电阻、电感和电容组成的简化电 路，如图1a 所示。R_DC 对应磁珠的直流电阻。C_PAR、L_BEAD 和R_AC 别离表明寄生电容、磁珠电感和与磁珠有关的沟通电阻（沟通 磁芯损耗）。

铁氧体磁珠可依据三个呼应区域分类：理性、阻性和容性。查 看ZRX 曲线便可确认这些区域（如图1b 所示），其间Z 表明 阻抗、R 表明电阻、X 表明磁珠的电抗。为了下降高频噪声，磁 珠有必要处于阻性区域内；电磁搅扰 (EMI) 滤波运用特别需留意 这一点。该元件用作电阻，可阻挠高频噪声并以热量的办法耗 散。阻性区域呈现在磁珠交越频率 (X = R) 之后，直至磁珠变为 容性的那一点停止。此容性点方位为容性电抗 (–X) 绝对值等于 R 的频率处。

某些状况下，简化电路模型可用来近似核算铁氧体磁珠高达 sub-GHz 规模的阻抗特性。

本文以Tyco Electronics BMB2A1000LN2 多层铁氧体磁珠为例。 图1b 显现了在零直流偏置电流条件下运用阻抗剖析仪测得的 BMB2A1000LN2 ZRX 呼应。

在测得的ZRX 曲线上，磁珠表现出最大理性特性（Z ≈ X_L；L_BEAD） 的区域中，该磁珠的电感可依据下列公式核算：

其间:

f 是区域内磁珠表现为理性的恣意频率点。本例中，f = 30.7 MHz。 X_L 是30.7 MHz 时的电抗，数值为233 Ω。

由公式1 得出的电感值 (L_BEAD) 等于1.208 μH。

在磁珠表现出最大容性特性（Z ≈ | X_C|；C_PAR）的区域中，寄生 电容可依据下列公式核算：

其间:

f 是区域内磁珠表现为容性的恣意频率点。本例中，f = 803 MHz |X_C|是803 MHz 时的电抗，数值为118.1 Ω。

由公式2 得出的寄生电容值 (C_PAR) 等于1.678 pF。

依据制造商的数据手册，直流电阻 (R_DC) 等于300 mΩ。沟通电 阻 (R_AC) 是磁珠表现为纯阻性时的峰值阻抗。从Z 中减去R_DC 即可得出R_AC。因为比较峰值阻抗，R_DC 极小，因而能够疏忽。 因而，本例中R_AC 等于1.082 kΩ。运用ADIsimPE 电路仿真东西 （由SIMetrix/SIMPLIS 供电）生成阻抗与频率呼应的联系。图 2a 显现了电路仿真模型，并供给核算值；图2b 显现了实践丈量 成果以及仿真成果。本例中，从电路仿真模型得出的阻抗曲线 与丈量曲线严厉匹配。

在噪声滤波电路规划和剖析中，选用铁氧体磁珠模型很有协助。 例如，当与去耦电容一起组成低通滤波器网络时，对电感进行 近似核算关于决议谐振频率截止很有协助。可是，本文中的电 路模型是零直流偏置电流状况下的近似。此模型或许随直流偏 置电流的改动而改动，而在其他状况下或许需求选用更杂乱的 模型。

直流偏置电流考虑要素

为电源运用挑选正确的铁氧体磁珠不只需求考虑滤波器带宽， 还需考虑磁珠相关于直流偏置电流的阻抗特性。大部分状况下， 制造商仅指定磁珠在100 MHz 的阻抗并发布零直流偏置电流时 的频率呼应曲线数据手册。可是，将铁氧体磁珠用作电源滤波 时，经过磁珠的负载电流一直不为零，而且跟着直流偏置电流 从零开端增加，这些参数也会随之敏捷改动。

跟着直流偏置电流的增加，磁芯资料开端饱满，导致铁氧体磁 珠电感大幅下降。电感饱满度依据组件磁芯所用的资料而有所 不同。图3a 显现了两个铁氧体磁珠的典型直流偏置依靠状况。 额定电流为50%时，电感最多下降90%。

如需高效过滤电源噪声，则就规划准则来说，应在额定直流电 流约20%处运用铁氧体磁珠。如这两个示例所示，在额定电流 20%处，电感下降至约30%（6 A 磁珠）以及约15%（3 A 磁珠）。 铁氧体磁珠的电流额定值是器材在指定升温状况下可接受的最 大电流值，并非供滤波运用的实在作业点。

此外，直流偏置电流的作用可经过频率规模内阻抗值的削减而 观察到，然后下降铁氧体磁珠的有用性和消除EMI 的才能。图 3b 和图3c 显现了铁氧体磁珠阻抗怎么随直流偏置电流的改动而 改动。只需施加额定电流的50%，100 MHz 时的有用阻抗就会 从100 Ω 大幅下降至10 Ω（TDK MPZ1608S101A，100 Ω，3 A， 0603），以及从70 Ω 下降至15 Ω（Würth Elektronik 742 792 510， 70 Ω，6 A，1812）。

体系规划人员有必要彻底了解直流偏置电流对磁珠电感和有用阻 抗的影响，因为这关于要求高电源电流的运用或许十分重要。

LC 谐振效应

当铁氧体磁珠与去耦电容一起运用时，或许发作谐振尖峰。这 个常常被忽视的效应或许会危害功能，因为它或许会扩大给定 体系的纹波和噪声，而非衰减它们。许多状况下，此尖峰发作 在DC-DC 转换器的常用开关频率邻近。

当低通滤波器网络（由铁氧体磁珠电感和高Q 去耦电容组成） 的谐振频率低于磁珠的交越频率时，发作尖峰。滤波成果为欠 阻尼。图4a 显现的是TDK MPZ1608S101A 丈量阻抗与频率的 联系曲线。阻性元件（与搅扰能量的耗散有关）在到达大约20 MHz 到30 MHz 规模之前影响不大。低于此频率则铁氧体磁珠 仍然具有极高的Q 值，且用作抱负电感。典型铁氧体磁珠滤波 器的LC 谐振频率一般坐落0.1 MHz 到10 MHz 规模内。关于300 kHz 到5 MHz 规模内的典型开关频率，需求更多阻尼来下降滤 波器Q 值。

图4b 显现了此效应的一个示例；图中，磁珠的S21 频率呼应和 电容低通滤波器显现了峰值效应。此例中运用的铁氧体磁珠是 TDK MPZ1608S101A（100 Ω，3 A，0603），运用的去耦电容 是Murata GRM188R71H103KA01 低ESR 陶瓷电容（10 nF，X7R， 0603）。负载电流为微安等级。

无阻尼铁氧体磁珠滤波器或许表现出从约10 dB 到约15 dB的尖 峰，详细取决于滤波器电路Q 值。图4b 中，尖峰呈现在2.5 MHz 左右，增益高达10 dB。

此外，信号增益在1 MHz 到3.5 MHz 规模内可见。假如该尖峰 呈现在开关稳压器的作业频段内，那么或许会有问题。它会放 大搅扰开关伪像，严峻影响灵敏负载的功能，比方锁相环 (PLL)、 压控振荡器 (VCO) 和高分辨率模数转换器 (ADC)。图4b 中显现 的成果为选用极轻负载（微安等级），但关于只需求数微安到1 mA 负载电流的电路部分或许在某些作业形式下封闭以节约功 耗的部分而言，这是一个有用的运用。这个潜在的尖峰在体系 中发作了额定的噪声，或许会导致不良串扰。

例如，图5 显现了一个ADP5071 运用电路，该电路选用了磁珠滤 波器；图6 显现了正输出端的频谱曲线。开关频率设为2.4 MHz， 输入电压设为9 V，输出电压设为16 V，负载电流设为5 mA。

因为磁珠的电感和10 nF 陶瓷电容，谐振尖峰呈现在约2.5 MHz 处。呈现了10 dB 增益，而非衰减2.4 MHz 处的基频纹波频率。

影响谐振尖峰的其他要素是铁氧体磁珠滤波器的串联阻抗和负 载阻抗。在较电源内阻下，尖峰大幅下降，并被阻尼所削弱。 可是，选用这种办法会导致负载调理下降，然后失掉有用性。 因为串联电阻下降，输出电压随负载电流而下降。负载阻抗还 会影响峰值呼应。轻载条件下的尖峰更严峻。

阻尼办法

本节介绍三种阻尼办法，体系工程师可用来大幅下降谐振尖峰 电平（见图7）。

办法A 是在去耦电容途径上增加一个串联电阻，可按捺体系谐 振，但会下降高频旁路有用性。办法B 是在铁氧体磁珠两头添 加一个小数值并联电阻，这样也会按捺体系谐振。可是，在高 频时滤波器的衰减特性会下降。图8 显现了MPZ1608S101A 使 用和不运用10 Ω 并联电阻的状况下阻抗与频率的联系曲线。浅 绿色虚线表明磁珠选用10 Ω 并联电阻的总阻抗。磁珠阻抗和电 阻组合大幅下降，并首要由10 Ω 电阻决议。可是，选用10 Ω 并联电阻时的3.8 MHz 交越频率远低于磁珠自身在40.3 MHz 时 的交越频率。在低得多的频率规模内磁珠表现出阻性，可下降Q 值，改进阻尼功能。

办法C 是增加大电容 (C_DAMP) 与串联阻尼电阻 (R_DAMP) 的组合，一般这种办法最佳。

增加电容和电阻可按捺体系谐振，一起不会下降高频时的旁路 有用性。选用此种办法能够防止大隔直电容导致电阻功耗过大。 该电容有必要远大于一切去耦电容之和，这下降了所需的阻尼电 阻值。在谐振频率处，电容阻抗有必要远小于阻尼电阻，以便减 少尖峰。

图9 显现了ADP5071 正输出频谱曲线，其运用电路选用阻尼方 法C，如图5 所示。C_DAMP 和R_DAMP 别离是1 μF 陶瓷电容和2 Ω SMD 电阻。2.4 MHz 时的基频纹波下降5 dB 增益，而非图9 中 显现的10 dB 增益。

一般来说，办法C 最为高雅，经过增加一个电阻和陶瓷电容的 串联组合完成，无需购买贵重的专用阻尼电容。比较牢靠的设 计一直包括电阻，可在原型制造时便利调试，假如不需求还可 移除。仅有缺陷是额定的元件本钱和更多的电路板占位空间。

定论

本文评论了运用铁氧体磁珠时有必要考虑的关键要素。本文还详 细介绍了一个简略的电路模型，表明磁珠。仿真成果在零直流 偏置电流处表现出杰出的实践丈量阻抗与频率呼应的相关性。

本文还评论了直流偏置电流对铁氧体磁珠特性的影响。成果表 明超越额定电流20%的直流偏置电流或许会导致磁珠电感的大 幅下降。这样的电流还会下降磁珠的有用阻抗，削弱EMI 滤波 才能。在供电轨上以直流偏置电流办法运用铁氧体磁珠时，应 保证电流不会导致铁氧体资料饱满以及发作电感的大幅改动。

因为铁氧体磁珠是理性的，将其与高Q 值去耦电容一起运用时 应当十分慎重。假如不慎重，会在电路中发作搅扰谐振，弊大 于利。本文中提出的阻尼办法在负载上选用大去耦电容与阻尼 电阻的串联组合，然后防止了搅扰谐振。正确运用铁氧体磁珠 能够高效而廉价地下降高频噪声和开关瞬变。

参阅电路

AN-583 运用笔记： 为 Altera FPGA 规划铁氧体磁珠功率阻隔滤 波器。 Altera Corporation.

数字IC 的电源噪声按捺和去耦运用手册。. Murata Manufacturing Co., Ltd.

Burket, Chris. “”铁氧体磁珠生来不同—了解铁氧体磁珠资料特 性的重要性”。” TDK Corporation.

Eco, Jefferson 和 Aldrick Limjoco. AN-1368 运用笔记： 铁氧体 磁珠揭秘。. ADI 公司。

Fancher, David B. “”ILB、ILBB 铁氧体磁珠：电磁搅扰和电磁 兼容性 (EMI/EMC)”。” Vishay Dale.

Hill, Lee 和 Rick Meadors. “”Steward EMI 按捺”。” Steward.

Kundert, Ken. “”电源噪声按捺”。” Designer’s Guide Consulting, Inc.

Weir, Steve. “”铁氧体磁珠的PDN 运用”。” IPBLOX, LLC.

称谢

作者感谢Jeff Weaver、Donal O’Sullivan、Luca Vassalli 和Pat Meehan（爱尔兰利默里克大学）同享他们的技能知识和主张。